《光线传感技术》-精选课件（公开PPT）

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1、光纤传输系统示意图,EE,OE,L,F,R,F,D,OR,ER,第四章 光有源器件,4.1 光源,光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。 光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。 半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。 发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。,半导体的能带 在单个原子中，电子是在原子内部的量子态运动的。当大量原子结合成晶体后，原子间的影响将表现出来。晶体

2、中的电子不再属于个别原子所有，它们一方面围绕每个原子运动，同时又要在原子之间做共有化运动，如图所示。,PN结半导体激光器发光机理,半导体的能带,晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。如图所示。,半导体的能带,锗、硅和砷化镓GaAs 等一些重要的半导体材料，都是典型的共价晶体。 在共价晶体中，每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整个晶体就是通过这些共价键把原子联系起来。如图所示。,图 4.2 半导体的能带和电子分布 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体,2. PN结的能带

3、和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。,图4.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布,式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 ,(4.1),2. PN结的能带,P半导体和N半导体的能带 主要由空穴导电的半导体称为P型半导体。当

4、重掺杂时，费米能级Ef会进入价带，称为简并型P型半导体，如图(a)所示； 主要由电子导电的半导体称为N型半导体。当重掺杂时，费米能级Ef会进入导带，称为简并型N型半导体，如图(b)所示。,2. PN结的能带,当P型半导体N型半导体结合时形成结后，N区的费米能级降低，P区的费米能级升高，达到热平衡时，形成了统一的费米能级。如图所示。,正向偏压下P - N结能带图,1. PN结半导体激光器发光机理,PN结半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成光学谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。 外加正向偏压将N区的电子、P区的空穴注入到PN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（P

5、N结为激活区）。 在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素， 使之产生受激辐射而发射全同光子。,4.1.1 激光器的工作原理,PN结的能带和电子分布,PN 结空间电场区,P区,N区,+ + + + + +,Ef,能量,EeP,EVP,EeN,EVN,P区,N区,EVP,EeP,EeN,EVN,EfN,EfP,hf,hf,1. PN结半导体激光器发光机理,这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜中输出，这

6、就是经受激辐射放大的光 。即PN结半导体激光器产生激光输出的工作原理。,4.1.1 激光器的工作原理,图 4.4 激光器的构成和工作原理 (a) 激光振荡； (b) 光反馈,4.1.2 半导体激光器,用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD），对LD的要求如下。 光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即0.85m、1.31m和1.55m）。 能够在室温下长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。目前LD的尾纤输出功率可达500W2mW；LED的尾纤输出功率可达10W左右。 与光纤耦合效率高。 光源的谱线宽度要窄。较好的LD的谱线宽度可达到0.1nm。 寿命长，工作稳定。

7、,4.1.2 半导体激光器,1半导体激光器的基本结构和工作原理有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图所示。,半导体激光器的结构示意图,4.1.2 半导体激光器,（1）同质结半导体激光器。 其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。 缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。 （2）异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。 异质半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。 特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。 目前，光纤通信用的

8、激光器大多采用如图4-5所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。,4.1.2 半导体激光器,图4-5 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构,nInGaAsP是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层nInP是衬底，顶层P+InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。,4.1.2 半导体激光器,（3）工作原理 用半导体材料做成的激光器，当激光器的P-N结上外加的正向偏压足够大时，将使得P-N结的结区出现了高能级粒子多、低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态，这种状态将出现受激辐射大于受激吸

9、收的情况，可产生光的放大作用。 被放大的光在由P-N结构成的F-P光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。,4.1.2 半导体激光器,2半导体激光器的工作特性 （1）发射波长 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式（4-1）得 hf = Eg （4-5） 式中， ，f (Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长，c=3108m/s， h=6.6251034 Js，leV=1.601019 J为电子伏特，代入式（4-5）得 (m) （4-6） 由于能隙

10、与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。,4.1.2 半导体激光器,（2）阈值特性 对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith 表示。如图4-6所示。阈值电流越小越好。,图4-6 典型半导体激光器的输出特性曲线,4.1.2 半导体激光器,（3）光谱特性 LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当IIth时，发出的是荧光，光谱很宽，如图4-7（a）所示。当I Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图4-7（b）所示。,图4-7 GaAlAs-GaAs激光器的光谱,4.

11、1.2 半导体激光器,随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。 普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图4-8（a）所示。而在高码速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图4-8（b）所示。 一般，用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如分布反馈半导体激光器（DFB-LD）。,4.1.2 半导体激光器,图4-8 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱,4.1.2 半导体激光器,（4）转换效

12、率 半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率d表示，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为 （4-7） 由此得 （4-8 ） 式中，P为激光器的输出光功率；I为激光器的输出驱动电流，Pth为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；hf 为光子能量；e为电子电荷。,4.1.2 半导体激光器,（5）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大，其变化情况如图4-9所示。,图4-9 激光器阈值电流随温度变化的曲线,（6）光束发散,半导体激光器的有源区是一个类似于矩形平面的介质波导，有源区的宽度为W，厚度为

13、d，它的出射光束具有椭圆形状。 发散特性可由发散角来描述，发散角定义为光功率密度下降为最大辐射方向功率密度的一半的两个方向之间的夹角。垂直发散角和水平发散角分别为和，可以表示为 发散角越小方向性越好，和光纤的耦合效率越高。,4.1.2 半导体激光器,图 4.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样,近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布；,远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。,(7). 频率特性 在直接光强调制下， 激光器输出光功率P和调制频率f 的关系为,(4.9b),式中， 和分别称为弛豫频率和阻尼因子，Ith 和I0分别为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的LD，

14、 I=0， 低掺杂浓度的LD, I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，ph为谐振腔内的光子寿命。,图 4.11 半导体激光器的直接调制频率特性,图4.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr 是调制频率的上限，一般激光器的fr 为12 GHz。在接近fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。,4.1.2 半导体激光器,3分布反馈半导体激光器（DFB-LD） DFB-LD结构上的特点是：激光振荡不是由反射镜面来提供，而是由折射率周期性变化的波纹结构（波纹光栅）来提供，即在有源区的一侧刻有波纹光栅，如图4-10所示。,图 4.10 分布反馈(DFB)激

15、光器 (a) 结构； (b) 光反馈,4.1.2 半导体激光器,分布反馈半导体激光器（DFB-LD）优点是 谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的1/10左右，如图所示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为Gb/s的超高速传输。,由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。,光栅周期,=m,ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。 在普通光栅的DFB激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为,4.1.2 半导体激光器,4量子阱半导体激光器 量子阱半导体激光器与一般双异质激光器类似，只是有源区的厚度很薄（几十埃），如图4-11所示。当有源区的厚度非常小时，在有源区的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。,图4-11 量子阱半导体激光器,4.1.3 发光二极管,1LED的工作原理 发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。 发光二极